大连科技学院 计算机组成原理课程设计

1、大 连 科 技 学 院计算机组成原理课程设计题 目 运算器实验 学生姓名 崔程宽 专业班级 计算机(Z)13-1 指导教师 姜志明 职 称教 授 所在单位 信息科学系网络工程教研室 教学部主任 王立娟 完成日期 2016年1月8日课程设计报告单学号姓名崔程宽专业班级计算机（Z）13-1考 核 项 目评分备注1平时工作态度及遵守纪律情况（10分）2掌握基本理论、关键知识、基本技能的程度和阅读参考资料的水平（10分）3独立工作能力、综合运用所学知识分析和解决问题能力及实际工作能力提高的程度（20分）4完成课程设计说明书及软件的情况与水平（小组分工情况、规范性、整洁清楚、叙述完整性、思路清晰程度、工

2、作量及实际运行情况和创新性）（60分）总评成绩综 合 评 定：（优、良、中、及格、不及格） 指导教师签字：2016年1月11日计算机组成原理课程设计任务书一、课程设计任务及要求：任务：使用学过的知识设计一个简单计算机系统或者用单片机实现一最小系统，加深对冯诺依曼体系结构计算机组成及其各部分功能的理解，进一步建立整机的概念。要求：(1)能够利用课堂上学到的知识，以及所做过的实验，完成数据通路的设计。(2)在数据通路设计的基础上，增加机器指令部分，(3)在机器指令部分完成后，增加微指令部分，并自己定义微指令的字长(要求不低于8位)，手动完成系统的运算并能存储结果。(4)在手动微指令部分能够执行后，

3、加上时序电路线路，使整个系统能够自动完成微指令部分的执行，从而使整个系统完善。(5)提交课程设计报告。(6)指标: 要求完成课程设计报告3000字以上(约二十页)；画出电路原理图。二、工作量2周（10个工作日）时间三、计划安排第1个工作日：查找相关资料、书籍，阅读示例文档，选择题目。第2个工作日第4个工作日：设计电路、画出模块图。第5个工作日第9个工作日：完成电路的连接、调试、测试。穿插进行课程设计报告的撰写。第10个工作日：上交课程设计报告，由教师检查设计的电路、检查课程设计报告，给出学生成绩。指导教师签字： 2015年12月22日目 录运算器实验11.实验目的12.预习要求13.实验设备1

4、4.电路组成15.工作原理46.实验内容47.实验步骤58.心得 9运算器实验一、实验目的： 1掌握运算器的组成及工作原理；2了解4位函数发生器74LS181的组合功能，熟悉运算器执行算术操作和逻辑操作的具体实现过程；3验证带进位控制的74LS181的功能。二、预习要求：复习本次实验所用的各种数字集成电路的性能及工作原理；预习实验步骤，了解实验中要求的注意之处。三、实验设备： EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。四、电路组成： 本模块由算术逻辑单元ALU 74LS181（U7、U8、U9、U10）、暂存器74LS273（U3、U4、U5、U6）、三态门74LS244（U11

5、、U12）和控制电路（集成于EP1K10内部）等组成。电路图见图1-1(a)、1-1(b)。图1-1（a）ALU电路 图1-1（b）ALU控制电路算术逻辑单元ALU是由四片74LS181构成。74LS181的功能控制条件由S3、S2、S1、S0、 M、Cn决定。高电平方式的74LS181的功能、管脚分配和引出端功能符号详见表1-1、图1-2和表1-2。 四片74LS273构成两个16位数据暂存器，运算器的输出采用三态门74LS244。它们的管脚分配和引出端功能符号详见图1-3和图1-4。 图1-2 74LS181管脚分配 表1-2 74LS181输出端功能符号74LS181功能表见表11，其中

6、符号“”表示逻辑“或”运算，符号“*”表示逻辑“与”运算，符号“/”表示逻辑“非”运算，符号“加”表示算术加运算，符号“减”表示算术减运算。 选择 M=1 逻辑操作 M=0 算术操作S3 S2 S1 S0Cn=1（无进位）Cn=0（有进位）0 0 0 0F=/A F=AF=A加10 0 0 1F=/(A+B)F=A+BF=(A+B)加10 0 1 0F=/A*BF=A+/BF=(A+/B)加10 0 1 1F=0F=1F=00 1 0 0F=/(A*B)F=A加A*/BF=A加A*/B加10 1 0 1F=/BF=(A+B)加A*/BF=(A+B) 加A*/B加1 0 1 1 0F=(/A*B

7、+A*/B) F=A减B减1F=A减B0 1 1 1F=A*/BF=A*/B减1F=A*/B1 0 0 0F=/A+BF=A加A*BF=A加A *B加1 1 0 0 1F=/(/A*B+A*/B)F=A加BF=A加B加1 1 0 1 0F=BF=(A+/B)加A*BF=(A+/B)加A*B加11 0 1 1 F=A*BF=A*B减1F=A*B 1 1 0 0F=1F=A加AF=A加A 加11 1 0 1F=A+/BF=(A+B)加AF=(A+B)加A加1 1 1 1 0F=A+BF=(A+/B)加AF=(A+/B)加A加11 1 1 1F=AF=A减1F=A表1-1 74LS181功能表 图1

8、-3（a） 74LS273管脚分配 图1-3（b）74LS273功能表 图1-4（a） 74LS244管脚分配 图1-4（b） 74LS244功能五、工作原理： 运算器的结构框图见图1-5： 算术逻辑单元ALU是运算器的核心。集成电路74LS181是4位运算器，四片74LS181以并串形式构成16位运算器。它可以对两个16位二进制数进行多种算术或逻辑运算，74LS181 有高电平和低电平两种工作方式，高电平方式采用原码输入输出，低电平方式采用反码输入输出，这里采用高电平方式。三态门74LS244作为输出缓冲器由ALU-G信号控制，ALU-G 为“0”时，三态门开通，此时其输出等于其输入；ALU

9、-G 为“1”时，三态门关闭，此时其输出呈高阻。四片74LS273作为两个16数据暂存器，其控制信号分别为LDR1和LDR2，当LDR1和LDR2 为高电平有效时，在T4脉冲的前沿，总线上的数据被送入暂存器保存。六、实验内容：验证74LS181运算器的逻辑运算功能和算术运算功能。七、实验步骤：、单片机键盘操作方式实验注：在进行单片机键盘控制实验时，必须把开关K4置于“OFF”状态，否则系统处于自锁状态，无法进行实验。1、实验连线（键盘实验）：实验连线如图16所示。（连线时应按如下方法：对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。注

10、意：F4只用一个排线插头孔）运算器接口S3S2S1S0MCn ALU-G AR LDR1 LDR2C1 .C6 E5 E4 F5 E3 控制总线 F4 控制总线 T4 图16 实验一 键盘实验连线图2、实验过程： （1） 拨动清零开关CLR，使其指示灯灭。再拨动CLR，使其指示灯亮。（2） 在监控滚动显示【CLASS SELECt】时按【实验选择】键，显示【ES-_ _ 】输入01或1，按【确认】键，监控显示为【ES01】，表示准备进入实验一程序，也可按【取消】键来取消上一步操作，重新输入。（3） 再按【确认】键，进入实验一程序，监控显示【InSt-】，提示输入运算指令，输入两位十六进制数（参

11、考表13和表11），选择执行哪种运算操作，按【确认】键。（4） 监控显示【Lo=0】,此处Lo相当于表11中的M，默认为“0”，进行算术运算，也可以输入“1”，进行逻辑运算。按【确认】，显示【Cn=0】,默认为“0”，由表11可见，此时进行带进位运算，也可输入“1”，不带进位运算（注：如前面选择为逻辑运算，则Cn不起作用）。按【确认】，显示【Ar=1】，使用默认值“1”，关闭进位输出。也可输入“0”，打开进位输出，按【确认】。（5） 监控显示【DATA】，提示输入第一个数据，输入十六进制数【1234H】，按【确认】，显示【DATA】，提示输入第二个数据，输入十六进制数【5678H】，按【确认】

12、键，监控显示【FINISH】，表示运算结束，可从数据总线显示灯观察运算结果，CY指示灯显示进位输出的结果。按【确认】后监控显示【ES01】，可执行下一运算操作。运算指令（ S3 S2 S1 S0）输入数据（十六进制）0 0 0 000或00 0 0 101或10 0 1 002或20 0 1 103或30 1 0 004或40 1 0 105或50 1 1 006或60 1 1 107或71 0 0 008或81 0 0 109或91 0 1 00A或A1 0 1 10B或B1 1 0 00C或C1 1 0 10D或D1 1 1 0 0E或E1 1 1 10F或F表1-3 运算指令关系对照表在

13、给定LT1=1234H、LT2=5678H的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入表中，并和理论值进行比较和验证： LT1 LT2S3S2S1S0 M=0（算术运算） M=1（逻辑运算） Cn=1（无进位）Cn= 0（有进位） 1234H 5678H00或0 F= F= F= 01或1 F= F= F=02或2 F= F= F=03或3 F= F= F=04或4 F= F= F=05或5 F= F= F=06或6 F= F= F=07或7 F= F= F=08或8 F= F= F=09或9 F= F= F=0A或A F= F= F=0B或B F= F= F=0C或C F= F=

14、F=0D或D F= F= F=0E或E F= F= F=0F或F F= F= F=、开关控制操作方式实验注：为了避免总线冲突，首先将控制开关电路的ALU-G和C-G拨到输出高电平“1”状态(所对应的指示灯亮。)本实验中所有控制开关拨动，相应指示灯亮代表高电平“1”，指示灯灭代表低电平“0”。 1、 按图17接线图接线： 连线时应注意：为了使连线统一，对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。 运算器接口 S3S2S1S0MCn ALU-G AR LDR1 LDR2 BD15 . BD8数据总线BD7 . BD0 DIJ1 DIJ

15、-G DIJ2 数据输入电路 C-G S3S2S1S0MCn ALU-G AR LDR1 LDR2控制总线T4 控制开关电路 T+ fin f/8 脉冲源及时序电路 图17 实验一 开关实验 接线图 2、通过数据输入电路的拨开关开关向两个数据暂存器中置数：注意：本实验中ALU-G和C-G不能同时为0，否则造成总线冲突，损坏芯片！故每次实验时应时刻保持只有一路与总线相通。1）拨动清零开关CLR，使其指示灯。再拨动CLR，使其指示灯亮。置ALU-G1：关闭ALU的三态门；再置C-G=0：打开数据输入电路的三态门；2） 向数据暂存器LT1（3、U4）中置数：（1）设置数据输入电路的数据开关“D15D

16、0”为要输入的数值；（2）置LDR11：使数据暂存器LT1（3、U4）的控制信号有效，置LDR20：使 数据暂存器LT2（5、U6）的控制信号无效；（3）按一下脉冲源及时序电路的【单脉冲】按钮，给暂存器LT1送时钟，上升沿有效，把数据存在LT1中。3）向数据暂存器LT2（5、U6）中置数：（1）设置数据输入电路的数据开关“D15D0”为想要输入的数值；（2）置LDR10：数据暂存器LT1的控制信号无效；置LDR21：使数据暂存器LT2的控制信号有效。（3）按一下脉冲源及时序电路的“单脉冲”按钮，给暂存器LT2送时钟，上升沿有效，把数据存在LT2中。（4）置LDR10、LDR20，使数据暂存器L

17、T1、LT2的控制信号无效。 4 ）检验两个数据暂存器LT1和LT2中的数据是否正确：（1）置C-G=1，关闭数据输入电路的三态门，然后再置ALU-G=0，打开ALU的三态门 ；（2）置“S3S2S1S0M”为“11111”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT1中的数 ，表示往暂存器LT1置数正确；（3）置“S3S2S1S0M”为“10101”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT2中的数 ，表示往暂存器LT2置数正确。 3、验证74LS181的算术和逻辑功能:LT1LT2S3S2S1S0M=0（算术运算）M=1（逻辑运算）Cn=1（无进位）Cn= 0（有进位）1234H5678H0 0 0 0F=

18、F=F=0 0 0 1F=F=F=0 0 1 0F=F=F=0 0 1 1F=F=F=0 1 0 0F=F=F=0 1 0 1F=F=F=0 1 1 0F=F=F=0 1 1 1F=F=F=1 0 0 0F=F=F=1 0 0 1F=F=F=1 0 1 0F=F=F=1 0 1 1F=F=F=1 1 0 0F=F=F=1 1 0 1F=F=F=1 1 1 0F=F=F=1 1 1 1F=F=F=按实验步骤2往两个暂存器LT1和LT2分别存十六进制数“1234H”和“5678H”，在给定LT1=1234H、LT2=5678H的情况下，通过改变“S3S2S1S0MCn”的值来改变运算器的功能设置，

19、通过数据总线指示灯显示来读出运算器的输出值F，填入上表中，参考表11的功能表，分析输出F值是否正确。分别将“AR”开关拨至“1”和“0”的状态，观察进位指示灯“CY”的变化并分析原因。心 得（一）课设感受和体会：1.基础知识和原理很重要 我们试验指导书上给给出了基本模型机设计与实现，其中用到了加法指令。我们按照指导书把试验做出来了，但是不知道为什么是这样的。然而，老师要求我们改变其中的指令实现不一样的功能。我们小组就按照指导书并结合课本，另外，还有机房的联机软件，可以把数据的流向看的非常清楚。更有利于我们的理解。如果不了解这些指令，我们就无法去更深层次的去设计出其它的模型机。2.认真听老师的讲

20、解加上主动请教老师 计算机组成原理是一些计算机底层的东西，有时自己看书很难明白。所以，我们要多问老师。老师讲解的时候，我们要做好笔记，我们遇到问题的时候，要主动请教老师。通过这样的交流，我们对计算机模型机设计与实现这个问题会有新的认识。把自己的想法和思路跟老师交流，看看自己计划的可行性。3.多查资料和网络实现资源共享（图书馆和Internet）我查了其它高校的计算机学院的教学资源网站，也有相关的内容。我把这些资料下载下来，并本类打印了，以便参阅。为了做好这个课设，由于北区的图书资料比较少，就去了南区借了四本有关图书。其实，网上有很多这方面的资料。我去了（）查到了很有用的资料，是一位网友上传上去的。网络让我们的资源实现共享，这样最大的受益者就是我们这些大学生了和一些研究者。通过网络还和一下网友交流了，自己的想法，并把自己的想法和思路和他们交流了一下。4.实践是检验真理的唯一途径有了思路，设计好了，把自己的设计通过指令